高墩大跨曲线连续刚构桥梁地震响应的设计参数研究

摘要

我国西部大部分地区属山岭重丘区，山高谷深、地形险峻。山区修建的桥梁，特别是高等级公路上的桥梁，其特点是桥墩高，跨径大，结构平面线形复杂。这些地区很多处于地震多发带，地震作用不可忽略。与中小跨径桥梁相比，高墩大跨径桥梁特别是曲线桥梁结构的地震响应及抗震设计更为复杂。我国现行《公路工程抗震设计规范》(JTJ004-89)中只对跨径不超过150m的梁桥和拱桥作出了规定，而对于跨径超过150m的桥梁则未有涉及。我国现行《铁路工程抗震设计规范》(GBJ111-87)虽没有适用跨径范围限制，但明确要求“有特殊抗震要求的建筑物和新型结构应进行专门研究设计”。因此，对该类桥梁的动力性能及地震响应分析进行专题研究很有必要，并已经列为国家西部交通建设科技项目。 论文主要针对高墩大跨径曲线连续刚构桥的地震响应进行了大量的数值计算分析，初次系统地研究了结构设计参数对该类桥梁地震响应的影响规律。基于空间刚架结构的有限元方法，利用ANSYS程序建立了考虑多因素的分析模型，采用了模态分离技术对室内曲线连续刚构桥进行了动力试验，验证了模型建立的正确性。 论文首次利用正交试验表对高墩大跨连续刚构桥地震响应的敏感性参数进行了数值计算，分别考虑了墩高、下部结构计算模式、行波效应、结构跨数、地震波种类等参数对桥梁结构地震响应的影响，结果表明影响高墩大跨连续刚构桥地震响应的敏感性参数为墩高及下部结构计算模式。 对曲线连续刚构的下部结构设计参数进行了单因素分析，分别研究了墩底固结和桩土作用下单双薄壁墩、双薄壁墩截面形式、双薄壁墩间距、墩梁刚度比、系梁的设置等结构型式或设计参数对曲线连续刚构桥动力性能的影响，并以Elcentro波为例对结构进行线弹性地震时程分析。结果表明，桩土作用对曲线连续刚构桥地震响应的影响比较大，墩梁刚度比及系梁设置的道数会改变桥梁纵横向的刚度比，从而影响结构的振型序列和关键部位的地震响应，从动力性能上看，应尽量少设置系梁；而系梁设置的位置则对结构地震响应影响不明显；与单薄壁墩相比，采用双薄壁墩可以明显改善桥梁的地震响应；在材料用量相当的情况下，双薄壁实心墩桥梁综合地震响应小于空心墩的地震响应；双薄壁墩间距在常见的范围内(跨径的1/20～1/25)变化时结构地震响应的变化很小。 分别研究了圆心角、主梁高跨比、主梁宽跨比、桥梁结构跨数等上部结构设计参数对曲线连续刚构桥地震响应的影响，并给出了曲线桥与直桥频率比的回归关系式。研究表明，如果不考虑扭转，在相同条件下，曲线连续刚构桥综合抗震性能优于直桥的抗震性能，当曲线刚构桥的单跨圆心角小于30°时，曲线桥结构可以当作相应跨径的直桥进行抗震设计；在常见的高跨比范围内(跨径的1/15～1/20)，主梁高跨比的改变对桥梁地震响应的影响较小，宽跨比的改变(即箱梁采用直、斜腹板或者改变翼缘板长度)对结构的地震响应影响也较小。 论文对高墩大跨曲线连续刚构桥地震响应的研究成果可供此类桥梁抗震设计参考，也可为同类桥梁初步设计阶段实现抗震概念设计提供技术支持。

目录

文摘

英文文摘

论文独创性声明及论文知识产权权属声明

第一章绪论

第二章空间刚架结构振动的有限元建模及其试验验证

第三章连续刚构桥地震响应的正交法数值计算

第四章曲线连续刚构桥下部结构设计参数影响分析

第五章曲线连续刚构桥上部结构设计参数影响分析

第六章结论及建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢